消灭杨熊所部秦军后，沛公率军南下攻颖阳，杀之。
而此时张良再次与刘邦相遇。之前，张良劝项梁立韩成为韩王，并随韩王成西至韩地略地。
但是一年多来，所略之地每占辄失，始终没打开局面，因此游兵于颖川一带。
刘邦率军进至此，与张良的韩军合兵，攻轩辕略定韩地。赵别将司马卬欲渡河入关，刘邦率军北上，攻平阴，破坏渡口。
南下与秦军再战洛阳东，不利，南下阳城，收取城中军马。与南阳守齮战于犨东，大破南阳秦军。
楚军追至南阳，想绕过直接西进。张良劝道：“沛公虽欲急入关，秦兵尚众，距险。今不下宛，宛从后击，强秦在前，此危道也。”
于是刘邦还攻南阳。南阳守见楚军去而复返，并包围宛城。于是想自杀。
于是他的门客陈恢劝他不要先死，并出使楚营。双方约定后，南阳守投降。
刘邦率军继续西行，夺取了丹水（今河南淅川）。而高武侯戚鳃、穰侯王陵这时也加入刘邦所率领的楚军，攻下西陵、胡阳。
并且番君吴芮的部将梅鋗也至此，与沛公军联合，攻下析（今河南西峡县）、郦等地。
刘邦所部楚军进至武关东。于是派魏人宁昌使秦，而这时章邯也投降了项羽。赵高杀秦二世，令使者还报刘邦，欲约分关中。
刘邦以为赵高为诈计，于是从张良之计，使郦食其、陆贾游说武关（今陕西丹凤县武关镇）秦将降，然后袭击武关秦将，夺取武关。
之后，刘邦一面率军西进，一面令郦商别将攻取了秦的汉中、巴、蜀等地。
接着汉军再在嶢下击败秦军，这样刘邦所部楚军进至秦都咸阳附近的蓝田。
秦廷在组织了最后的力量与刘邦军队大战于蓝田，刘邦军队没有象当年周文那样一败涂地，而是大破秦军。这样秦朝失去了所有的抵抗力量。
汉元年十月，秦王子婴素车白马，系颈以组，降轵道（位于今陕西省西安市城区）旁，向刘邦献上了传国玉玺。秦朝至此灭亡，共立国15年零47天。
刘邦很得意地进入了咸阳城，以“关中王”自居。看着富丽堂皇的宫殿，刘邦有些留恋起来，准备就此住下，享受享受。
樊哙劝他注意天下还没有平定，别忘了秦的前车之鉴。
刘邦根本听不进去，直到张良亲自来劝，他这才认识到了问题的严重性。于是，刘邦将军队撤退到了灞上。
刘邦到达灞上之后，便召集当地的名士，和他们约法三章：杀人者死，伤人及盗抵罪。
其他秦朝的苛刻法制一律废除，这使他得到了民心支持。
项羽项羽在打败章邯，迫使他投降之后，也领兵直奔关中而来。
范增劝他趁机除掉刘邦这个对手，项羽就下令准备，要在第二天进攻。
这时的刘邦在兵力上无法和强大的项羽相抗衡，他只有十万军队，不可能战胜项羽的四十万精兵。
最后是项羽的叔叔项伯“救”了刘邦：项伯和刘邦的谋士张良很要好，见项羽要进攻了，便连夜潜入营中找到张良，让他赶紧走，以免被杀。
张良却说不能丢下刘邦，就将消息透露给了刘邦。
惊慌之下，刘邦赶忙向张良要计策，张良让刘邦赶紧去见项伯，说明自己没有野心和项羽争夺王位。
刘邦依计约到项伯，说明自己并无称王野心，并于项伯约成儿女亲家。
项伯当天夜里就返回了军营，他对项羽说：
“因为沛公先行进入关中，为我们扫除了入关的障碍，我们这才能顺利地通过函谷关，沛公是有功劳的人，我们不应该猜疑他，应该真诚相待。”
项羽听了，便决定不再进攻刘邦。
第二天，刘邦来到了项羽的军营，只带了樊哙、张良和一百名精锐亲兵。到了项羽的大帐鸿门，当面向迎接他的项羽赔礼道歉。
项羽请刘邦入内赴宴，项羽的亚父范增，一直主张杀掉刘邦，在酒宴上，一再示意项羽发令，但项羽却犹豫不决，默然不应。
范增召项庄舞剑为酒宴助兴，趁机杀掉刘邦，项伯为保护刘邦，也拔剑起舞，掩护了刘邦，没有成功。
这就是成语“项庄舞剑，意在沛公”的由来。后来刘邦借故离开，回到了大营。
鸿门宴之后，项羽便领兵西进，项籍入咸阳，烧阿房宫、杀秦王子婴。
又分封各路将军为王，刘邦被封为汉王，领地是巴、蜀和汉中共四十一县，国都为南郑（今陕西南郑）。
并封秦降将章邯、司马欣、董翳（意）为雍王、塞王、翟王，领关中地，以扼制刘邦。
同时削减刘邦军队至三万人。项羽自己称为西楚霸王，掌握军队最高统帅权。楚怀王熊心被尊为义帝。后来把义帝迁到别的地方给杀了。
汉元年二月，诸侯罢戏下，各回国。刘邦只好忍气吞声接受封号，于四月领兵入汉中、并烧毁栈道（用木板架在悬崖上铺成的